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層状酸化物は、リチウムイオン電池で最も広く使用され、商用化される可能性のある正極材料の 1 つです。

次世代の高性能リチウムイオン電池正極材料の開発には、その故障メカニズムを深く解明することが重要です。

しかし、これまでのところ、関連分野では、そのような材料の有害な相転移や機械的故障のメカニズム、および原子スケールでの電池性能への影響についての深い理解がまだ不足しています。

中国科学院金属研究所のWang Chunyang研究員（2019年から2023年までカリフォルニア大学とブルックヘブン国立研究所で博士研究員として研究を実施）は、世界の電池分野におけるこの大きな課題の解決に尽力している。

彼と共同研究者らは、ディープラーニングと原子分解能の走査型透過電子顕微鏡イメージングを融合することにより、超解像透過型電子顕微鏡イメージング技術を開発し、この技術を使用して、リチウム用層状酸化物正極材料の複雑な相界面構造と相構造を深く明らかにしました。イオン電池の可変故障メカニズムと機械的不安定メカニズム。

人工知能透過型電子顕微鏡技術の開発と応用、層状酸化物の破壊メカニズムの研究と新材料の開発に対する重要な貢献により、彼は 2023 年の MIT テクノロジー レビューの「科学的かつ優秀な 35 の賞」の 1 人に選ばれました。中国 35 インチ未満の技術革新者 選定された候補者の 1 つ。

リチウム電池用層状酸化物正極の故障メカニズムを解明し、次世代電池正極材料の開発に役立てる

リチウムイオン電池は、今日の電気自動車で最も一般的に使用されているエネルギー貯蔵ソリューションの 1 つです。層状酸化物正極材料は、リチウムイオン電池において重要な役割を果たします。

現在、このタイプの材料は、バッテリーの充放電サイクル中に大きな課題に直面しています。つまり、層状酸化物は、必然的に一連の複雑な相転移劣化と応力破壊の問題を経験することになります。

特に既存の高ニッケル層状酸化物陰極の場合、電気自動車の初期航続距離が長いほど、性能の低下が早くなります。

言い換えれば、リチウム電池の層状酸化物正極のエネルギー密度とサイクル安定性の間には逆転の関係があり、二人はケーキを食べながら食べることはできません。

「電気自動車の初期航続距離を長くし、バッテリーが何千回も充電および放電された後も 80% 以上の容量を維持できるようにする方法は、現在のバッテリー分野の科学者が解決したい問題の 1 つです。この問題を克服するには、「最初のステップは、既存の材料がどのように壊れるか、壊れるかを解明することです」と彼は言いました。

これに応えて、彼と共同研究者らは、超解像透過型電子顕微鏡イメージング技術に基づいて、ナノ原子スケールで層状酸化物の相転移劣化と機械的破損メカニズムの系統的かつ詳細な研究を実施した。

彼らは、層状酸化物の脱リチウム化と格子不安定によって引き起こされるO3→O1相転移を原子スケールで明らかにし、O3→O1相転移はリチウム挿入プロセス中に完全には可逆的ではなく、相界面でミスフィット転位が発生することを発見した。岩塩相となり、亀裂の発生に優先的な核生成サイトを提供します [1、2]。

さらに、彼らは研究を市販の酸化物正極材料に拡張し、格子せん断不安定性によって引き起こされる O1 相転移を観察し、O1-O3 二相界面の複雑な原子構成を解明することに成功しました [3]。

「この結果は、層状酸化物の脱リチウム化格子せん断によって生成される相界面構造を原子スケールで明らかにした初めてのものである。」と彼は述べた。

また、O1 相転移に着目し、その場電子顕微鏡法と電子断層撮影による三次元再構成技術を組み合わせて、O1 相から岩塩相への新たな相転移機構を発見し、その三次元構造の解析を先導しました。層状酸化物の亀裂とそれとの関係 相変化の内部相関 [4]。

さらに、彼らは層状酸化物の応力誘起相変態メカニズムも発見し、マルチスケール亀裂が層状酸化物の機械的不安定性の唯一のモードであるという従来の理解を覆し、変化の間に橋を架けます[5]。

この一連の研究により、層状酸化物における O3→O1 相転移メカニズム、界面構造、および材料の構造性能劣化への影響が包括的に明らかになり、次世代正極材料の最適化設計に重要な理論的裏付けが提供されました。

たとえば、基礎研究における上記の画期的な成果に基づいて、Wang Chunyang と彼の共同研究者は、市販のリチウム電池の正極 NMC よりも優れた性能を持つ、多成分ドープ、ゼロ歪み、コバルトフリーの高ニッケル層状酸化物正極材料を設計しました。 811 [6]、および市販の NMC-532 [7] よりも優れた性能を備えた中程度から低いニッケル含有量のコバルトを含まない層状酸化物。

「NMC-811は、電気自動車用バッテリーに広く使用されている主流の市販正極材料です。当社が開発した新しい高ニッケル正極材料の初期容量はNMC-811と同等ですが、1,000サイクル後でもその容量維持率は依然として高くなります」言い換えれば、既存の高ニッケル正極材料の容量とサイクル安定性の逆転の関係を打ち破ることに成功しました。」

層状酸化物の破損メカニズムが新たに理解されたおかげで、新しい層状酸化物正極材料の開発サイクルは大幅に短縮されました。

「私たちの研究は、O1 相が従来の研究で考えられていたほど重要ではないことを確認しました。O1 相は構造劣化と機械的不安定性の両方を悪化させる可能性があるため、これは完全に有害な相であることがわかりました。これにより、この新しい理解により、正極材料を電池に入れて1～2回運転するだけで、O1相の生成量から材料の安定性を大まかに推測できるため、材料性能の評価期間が大幅に短縮されます。 。 " 彼は言った。

同氏はさらに「さらに重要なのは、O1相転移の本質が格子せん断であることを考慮し、層状酸化物の特性と『局所的条件への適応策』から出発して、格子せん断を抑制できる方法を設計したことである。」と述べた。材料の歪みを減らす - 多成分ドーピング技術により、初期容量を失うことなく、高ニッケル層状酸化物カソードのサイクル寿命を大幅に向上させることができます。」

高度な電子顕微鏡特性評価技術は、エネルギー分野における核となる科学的問題の解決と新材料の開発において重要な役割を果たしています。

彼は、電子顕微鏡、特に超解像透過型電子顕微鏡イメージング技術の開発と応用に関する専門知識のおかげで、上記の一連の成果を達成することができました。

同氏は、「この技術は人工知能と高度な透過型電子顕微鏡特性評価技術を融合させたもので、層状酸化物陰極材料の基礎研究に新たな扉を開くものである」と述べた。

層状酸化物の特別な点は、リチウムイオンが結晶格子から引き抜かれると、材料が不均一な体積変化と局所的な相転移を起こし、その結果生じる格子歪みにより、収集された原子が分解されてレート画像がぼやけることです。これは、電子顕微鏡観察者にとって「はっきりと見て」材料の構造を明らかにするという致命的な課題となります。

この目的を達成するために、Wang Chunyang と彼の共同研究者らは、画像セグメンテーションにおける畳み込みニューラル ネットワークの利点を最大限に活用し、それらを原子分解能の透過型電子顕微鏡イメージング技術と組み合わせ、層状酸化物を実現するための人工知能支援超解像イメージング技術を開発しました。 - カソード材料の結晶構造と欠陥の高精度イメージングと分析。

「この技術の現在のパフォーマンスは、私たちの当初の予想をはるかに超えて非常に良好です。次に、私たちは人工知能技術を使用して、材料構造の原子スケールのインテリジェントな分析を達成したいと考えています。これが私たちの将来の取り組みの方向性の1つです。」説明する。

さらに、彼と彼の共同研究者らは、全固体リチウム電池の正極材料の原子スケールの破損メカニズムにおいても重要な進歩を遂げました。

彼らは、表面の「格子の断片化」とせん断相変態が共同して層状酸化物の構造特性の劣化を引き起こすことを発見しました[8]。このメカニズムは従来の液体電池のメカニズムとは大きく異なり、電池の正極電解質として期待されています。全固体電池のインターフェイス最適化設計が理論的な指針を提供します。

優れた科学的問題を選択することは、盲目的に「優れた」機器を追求するよりもはるかに重要です

2010 年に湖北省仙桃中学校から中国鉱業大学に材料科学と工学を専攻して入学しました。

2014年に中国科学院金属研究所（指導教員：杜奎研究員）で博士号取得を勧められた。この間、主に金属材料のその場定量電子顕微鏡研究と透過型電子顕微鏡三次元イメージング技術の開発と応用に従事。

2019年に博士号を取得した後、カリフォルニア大学アーバイン・ブルックヘブン国立研究所に入り、ポスドク研究を行った（共同指導教員：シン・フオリン教授）。現段階では、主に高度な透過型電子顕微鏡技術の開発と応用、およびリチウムイオン電池材料の故障メカニズムと構造活性相関の研究に従事していました。

科学研究の過程で直面する最大の課題について、彼は、それは技術レベルから来るものではなく、優れた科学的疑問をどのように見つけるかであると述べた。

彼の電池材料分野を例に挙げると、層状酸化物正極材料の研究は 40 年以上続いています。この分野における共通の見解は、相変化理論の枠組みと層状酸化物陰極の故障メカニズムは「完成した」というものです。

「おそらく、この分野に入ったときにたまたま白紙の紙を持っていたため、多くのルールに縛られなかったのでしょう。たとえそれが多くの科学者の目には非常に愚かな質問だったとしても、私はしばしば次のような強い願望を抱きました」知識です」と王春陽氏は語った。

「私が最も達成感を感じるのは、真夜中に透過型電子顕微鏡の実験をしているときです。一瞬、脳細胞と視覚細胞が高周波で相互作用していると感じます。世界の真実を理解して、とても幸せに感じています」と彼は続けた。

知識への強い欲求と、鋭い直観力および批判的思考が、層状酸化物における一連の新しい故障メカニズムを発見する彼の能力の核となる原動力である可能性があります。

もちろん、彼の躍進は、彼が受けた科学研究の訓練とも切り離せないものです。

冶金研究所での博士課程の期間中、彼は金属材料を研究し、材料の構造と欠陥を深く理解し、知識システムを確立するための強固な基礎を築きました。この交差する背景と非対称の利点も、電池材料の分野における彼の革新的な進歩の重要な原動力となっています。

興味深い現象は、「勤続10年」の電子顕微鏡研究者としてのWang Chunyang氏の材料研究分野における躍進は、主に「超拡大鏡」、つまり透過型電子顕微鏡に依存していることだ。それにもかかわらず、同氏は科学研究は「装置のみ」ではいけないと繰り返し強調してきた。

どのような科学的問題を研究するか、実験を計画し、データを分析し、論文を書く方法を最終的に決定するのは、機器ではなく「人」であると彼は信じています。装置や実験技術は「猫」、科学的な問題は「マウス」です。黒猫でも白猫でも、ネズミを捕まえるのは良い猫です。

「ポスドク時代の研究の 4 分の 3 は非球面収差補正電子顕微鏡で行われ、研究の半分以上は現場外での研究でした。これらの装置や技術には利点がないと多くの人が考えていますが、実際には利点があります。それは、この分野の誰もが懸念している重要な科学的問題を解決することを妨げるものではありません」と彼は言いました。

この観点からすると、優れた科学的問題を選択することは、「優れた」機器を際限なく追求するよりもはるかに重要です。

2024年1月、同氏は瀋陽国立材料科学研究センターの研究員兼博士指導教員として中国科学院金属研究所に復帰したことがわかった。

過去 6 か月の間に、彼は平均年齢わずか 30 歳の若い科学研究チームを設立し、新たな科学研究の旅を開始しました。

将来的には、透過型電子顕微鏡と材料の構造活性相関研究が主な研究対象となり、基礎研究のブレークスルーを通じた次世代の高性能リチウムイオン電池正極材料の開発に取り組む予定です。

「10 年前、冶金研究所に入学した瞬間から、透過型電子顕微鏡が材料を理解するための扉を開きました。私も先任者と同様に、材料間の内部関係を探求しながら、電子顕微鏡を使用して材料の微細構造を理解することを徐々に学びました。物質の構造と特性を理解することと、材料科学の研究を行うことは、私の現在のキャリアだけでなく、将来のキャリアでもあります」と王春陽氏は語った。

参考文献:

1. CY Wang、R. Zhang、K. Kisslinger、HL Xin。高電圧でのLiNiO2のO1欠陥相誘起不活性化の原子スケール観察。Nano Letters、21(8)、3657-3663 (2021)。https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00862

2. CY Wang、R. Zhang、C. Siu、MY Ge、K. Kisslinger、Y. Shin、HL Xin。酸素保持力が向上し、相劣化が遅れる化学機械的に安定した超高 Ni 単結晶カソード。Nano Letters、21(22)、9797-9804 (2021)。https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c03852

3. CY Wang、XL Wang、R. Zhang、T. Lei、K. Kisslinger、HL Xin。リチウムイオン電池用高Ni含有量層状正極材料における複雑な層内遷移モチーフの解明。Nature Materials、22、235-241（2023）。https://doi.org/10.1038/s41563-022-01461-5

4. CY Wang、LL Han、R. Zhang、他「超高ニッケル層状構造における原子スケールの相転移と酸素損失メカニズムの解明」

コバルトフリーリチウムイオン電池用カソード。Matter、4(6)、2013-2026 (2021)。https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.03.012

5. CY Wang、XL Wang、PC Zou、R. Zhang、SF Wang、BH Song、KB Low、HL Xin。リチウムイオン電池用高Ni層状正極における化学機械的応力誘起相変態の直接観察。Matter、6(4)、1265-1277 (2023)。https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.02.001

6. R. Zhang#、CY Wang#、他「ゼロ歪みゼロコバルト層状カソードのための組成的に複雑なドーピング」Nature、610、67–73（2022）。https://doi.org/10.1038/s41586-022-05115-z

7. R. Zhang#、CY Wang#、他「低Ni、Coフリー正極化学による長寿命リチウムイオン電池の実現」Nature Energy、8、695–702（2023）。https://doi.org/10.1038/s41560-023-01267-y

8. CY Wang、YQ Jing、D. Zhu、HL Xin。全固体電池の層状カソードの化学機械的破損の原子起源。アメリカ化学会誌、146（26）、17712–17718（2024）。https://doi.org/10.1021/jacs.4c02198

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